BALI@ 2023.08.26 , 07:05

一种在非常低温下对非常小的粒子进行的新型化学反应，可以实现快速、精确的反应。

研究人员首次在实验室中观察到了“量子超化学”。

量子超化学是一种长期被理论预测但从未见过的现象，它指的是处于相同量子态的原子或分子比处于不同量子态的原子或分子更快地发生化学反应。量子态是指量子粒子的一组特征，比如自旋(角动量)或能级。

为了观察到这种新型的超强化学反应，研究人员不仅要让原子，而且要让整个分子进入相同的量子态。然而，当他们做到这一点时，他们发现化学反应是集体发生的，而不是单个发生的。而且涉及的原子越多，也就是说原子的密度越大，化学反应就越快。

“我们看到的结果与理论预测相符，”领导这项研究的芝加哥大学物理学教授Cheng Chin说。“这是20年来的科学目标，所以这是一个非常激动人心的时代。”

该团队于7月24日在《自然物理学》杂志上报告了他们的发现。他们观察到了铯原子形成分子时发生的量子超化学。首先，他们将铯气冷却到接近绝对零度，也就是所有运动停止的点。在这种冷冻状态下，他们可以让每个铯原子进入相同的量子态。然后，他们改变周围的磁场，启动原子之间的化学键合。

这些原子比研究人员在正常、非超冷气体中进行实验时更快地结合起来，形成两个原子的铯分子。所得到的分子也共享相同的量子态，至少在几毫秒内如此，在此之后，原子和分子开始衰变，不再一起振荡。

“用这种技术，你可以让分子进入一个相同的状态。”

研究人员发现，虽然反应的最终结果是一个两个原子组成的分子，但实际上有三个原子参与其中，多出来的一个原子以一种有利于反应发生的方式与两个键合的原子相互作用。

这对于量子化学和量子计算等应用可能很有用，因为处于相同量子态的分子具有相同的物理和化学性质。这些实验属于超冷化学领域，该领域旨在通过利用这些冷态下发生的量子相互作用来获得对化学反应的极其详细的控制。例如，超冷粒子可以用作qubit(量比特)，即在量子计算中携带信息的量子位。

该研究只使用了简单的分子，所以下一个目标是尝试用更复杂的分子来创建量子超化学。

“我们能把我们对量子工程的理解和知识推进到多复杂的分子，是这个科学界的一个主要研究方向。”

本文译自 Live Science，由BALI编辑发布。